Трансформаторы и дроссели источников питания электронных устройств

При температурах до +1300С и в условиях высокой влажности применяются теплостойкие провода ПЭТВ с покрытием полиэфирным лаком. Применяются также высокопрочные, теплостойкие, лудящиеся эмальпровода на полиуретановых лаках марки ПЭВТЛ класса изоляции Е (допускают кратковременный нагрев до 1500С). Этот провод обладает способностью покрываться слоем олова без зачистки эмали и применения флюсов. Для более высоких температур применяют провода со стекловолокнистой изоляцией марок ПСД (с двумя слоями изоляции) и ПСДК дополнительно пропитанные кремнийорганическими лаками. Первый выдерживает температуру до 2000С, а второй – до 3500С в течение 250-600 часов. Алюминиевые провода на полиэфирных лаках имеют нагревостойкость по классу F. Эти провода сложно паять.

Провода с комбинированной изоляцией, предназначенные для работы до +105 0С марок ПЭЛШО, ПЭЛШКО изолированы лакостойкой эмалью и одним слоем шелковой или капроновой пряжи. Волокнистая изоляция защищает лаковую. Самой прочной является лавсановая оплѐтка. Пробивное напряжение ПЭЛШО UПР = 0,3...0,9 кВ [1].

Из специальных проводов для борьбы с заметными проявлениями поверхностного эффекта при повышенной и высокой частоте применяют расщеплѐнные провода типа литцендрат марок ЛЭШО, ЛЭТЛО, ЛЭШД, ЛЭЛО, ЛЭЛД и др. Например, провод ЛЭТЛО выпускается диаметром 0,2-1,3мм с лаковой изоляцией повышенной нагревостойскости и одним слоем лавсанового волокна.

Для работы при температуре до +2000С провода марок ПЭТКСО и ПЭТКСОТ изолированы слоем кремнийорганического лака и одним слоем стекловолокна, пропитанного тем же лаком.

Кроме обмоточных проводов для обмоток применяют медную и алюминиевую фольгу. Медная фольга перспективна для уменьшения объѐма трансформаторов и дросселей с проводами больших сечений. Алюминиевая фольга толщиной 30-200мкм изолирована тонкой (2...4мкм) оксидной плѐнкой, выдерживает напряжение до 100В и более, но гигроскопична и недостаточно эластична. Стоимость ФМЭ с фольговыми алюминиевыми обмотками довольно высока из-за сложной технологии.

2.4. Конструкция обмоток ФМЭ

Обмотки ФМЭ должны быть достаточно хорошо изолированы между собой и от магнитопровода.Изоляция обмотки БТ и СТ осуществляется при помощи каркасов или гильз. Сборные каркасы изготавливаются из гетинакса или текстолита. Часто используются склеенные из прессшпана (электротехнического картона ЭВ) каркасы, отличающиеся от гильз наличием боковых щѐчек, защищающих торцовые части обмоток от механических повреждений. Бескаркас-

39

ные обмотки наматывают на основание – гильзу, изготовленную из прессшпа- на-см. рис.2.17.

Помимо каркаса катушки ФМЭ содержат также межслоевую, муждуобмоточную и внешнюю изоляцию. Для изоляции отдельных слоѐв каждой обмотки друг от друга укладывают межслоевую изоляцию. Она необходима для ровной укладки обмоточного провода, а в высоковольтных ФМЭ – для снижения разности потенциалов между соседними слоями. В многообмоточных ТММ применяется также междуобмоточная изоляция для обеспечения между ними необходимой изоляции. Для защиты от внешних повреждений служит внешняя изоляция, предохраняющая обмотку от пробоя на корпус или на соседние детали.Указанные виды изоляции изготавливают из различных сортов изоляционной бумаги: кабельной, телефонной, конденсаторной, из плѐнок, тканей, твѐрдых диэлектриков, некоторые из которых приведены в таблице 2.19 [1].

В качестве изоляции используют материалы толщиной в сотые доли мм;

Примечание: звёздочкой отмечены классы материалов по нагреву с пропиткой лаками.

толщина зависит от диаметра проводов. Изоляцию выбирают по рабочей температуре. Пропитка катушек лаками цементирует катушки, вытесняет воздух из катушки, повышает класс нагревостойкости изоляции.

Различают два вида обмоток ФМЭ: цилиндрические (состоящие из одного или нескольких слоѐв) и дисковые (в виде галет), расположенные на серденике друг за другом (первичнаявторичная и т.д.) и разделѐнные изоляционными прокладками.

40

Такое размещение обмоток, затем соединѐнных последовательно,уменьшает индуктивность рассеяния, улучшает симметрирование обмоток в двухполупериодных трансформаторах и снижает поверхностный эффект в проводах. В кольцевых магнитопроводах равномерно намотанные обмотки образуют один слой на наружной стороне сердечника и два слоя на внутреннем диаметре, что приводит к снижению индуктивности рассеяния.

Для изготовления обмоток используют изолированные обмоточные провода с эмалевой изоляцией (для напряжений до 500В). При более высоких напряжениях применяют провода с комбинированной изоляцией (лако-шѐлковая оплѐтка и др.) марки ПЭШО, ПЭЛШО, ПЭЛБО, ПБД и другие. После пропитки и сушки пробивное напряжение проводов возрастает по величине. При работе ФМЭ на повышенных частотах применяют провода ПЭШО, ПЭЛШО и литцендрат марок ЛЭШО, ЛЭШД, ЛЭЛО, ЛЭТЛО и другие по ГОСТ 16186-74, представляющий собой пучок тонких изолированных лаком проводов. Например, провод ЛЭТЛО сечением: 1,6мм2 может быть выполнен проводом диаметром 0,23мм40 шт. или диаметром 0,5мм-8шт. Чем выше частота, тем диаметр провода меньше. Эквивалентное сечение провода состоит из небольшого количества проводников, которое может быть больше сотни. Пучок проводов скручен и по поверхности изолирован.

При использовании литцендрата (пучка проводов малого диаметра) можно существенно повысить плотность тока j А мм2 и снизить коэффициент добавочных потерь до Кдоб 2 . Обмотки толщиной Ск1 и Ск 2 размещают на среднем стержне магнитопровода одна поверх другой с зазором между катушками С12 .

-правый стержень

С

Рис. 2.15. Расположение обмоток: а- коаксиальное; б – на разных стержнях

При расположении обмоток w1 и w2 на разных стержнях магнитопровода типа ПЛ средняя длина витков Lоб обмотки будет меньше, чем при коаксиальной намотке.Зная толщину изоляционного материала (гетинакса, прессшпана,

41

текстолита и др), из которого изготавливается каркас катушки, можно определить осевую длину каркаса. Обычно длину каркаса берут на 1-3мм короче высоты окна сердечника. При намотке на каркасе допустимая высота каждой об-

где щ - толщина щѐчки каркаса, которая выбирается в зависимости от диамет-

где dиз - диаметр провода с изоляцией (мм); КУ , КВ – коэффициенты укладки и выпучивания провода, определяемые по таблице 2.20. Плотную намотку катушки выполнить особенно трудно у больших сечений проводов.

В таблице 2.20 КВ - коэффициент выпучивания, который учитывается при расчѐте толщины катушки СК путѐм умножения на КВ . На практике можно пользоваться тем, что высота второго и последующих слоѐв на один виток меньше, чем в первом слое. Он является переходным из первого слоя во второй. Зная число витков в одном слое, находим число слоѐв каждой обмотки

(зазор) между катушками; r1 , r2 - радиус средней длины, замеренный от угла магнитопровода.

Толщина катушки находится по числу слоѐв плюс толщина изоляции между слоями и поверх катушки [ 3].Тороидальные трансформаторы имеют существенно сложнее конструкцию обмоток, чем СТ или БТ , что является особенностью их расчѐта. У ТТ нет немагнитного зазора.

На рисунке 2.16 показан разрез двухобмоточного ТТ.

42

Для защиты от механических повреждений при намотке обмотки кольцевой пермаллоевый сердечник помещают в пластмассовый или из любого немагнитного материала контейнер высотой на 1,5-2 мм больше размера б магнитопровода и прикрывают пластмассовым кольцом с выступом, входящим во внутренний диаметр контейнера.

Тороидальные магнитопроводы из ЭТС также помещают в контейнеры для защиты обмоточных проводов от повреждения.

Видно, что обмотки ТТ имеют трапецеидальную форму. Это вызвано тем, что при намотке внутреннего диаметра плотно на наружном диаметре между витками остаѐтся зазор, в который укладывается второй ряд слоя обмотки, то есть на внутреннем диаметре d сердечника будет уже два слоя, а на наружном D – один. Намотка обмоток часто ведѐтся вручную, т.к. шпулечные станки далеки от совершенства. Витки обмоток необходимо накладывать вертикально размеру б-(рис.2.16), что обеспечивает минимальные значения фронтов импульсов.

Следовательно, расчетное значение остаточного диаметра, необходимо для намотки и крепления на основе ТТ не должно быть меньше dост.min . При намотке тороидального трансформатора на специальных намоточных станках dост.min может быть меньше указанных.

В таблице 2.21 приведены ориентировочные значения индукции и плотности тока в обмотках для трансформаторов, выполненных на сердечниках холоднокатаной текстурированной стали типа 3421-3425 для частоты f=400Гц.

При частотах 20...25 кГц применение ТТ из ЭТС становится проблематичным из-за перегрева магнитопровода собственными потерями мощности на вихревые токи и гистерезис.

В целом расчѐт ТТ практически не отличается от расчѐта броневых и стержневых трансформаторов. Для ФМЭ повышенных (свыше 2 кГц) и высоких частот расчѐты приводятся в главах 3...6.

Пример 2.1. Расчет сглаживающего дросселя

Рассчитать сглаживающий дроссель фильтра с броневым ленточным магнитопроводом из стали 3411 с толщиной пластины δ=0,35мм. Индуктивность дросселя L=3Гн, ток подмагничивания I0=0,5А, рабочий потенциал обмотки дросселя U0=310В. Конструкция дросселя подобна ТММ (рис.2.17), но между верхней и нижней половинками магнитопровода введен немагнитный зазор.

3. Из таблицы П.1-П.5 предварительно выбираем сердечник ШЛ 20х20-50 с

6.По данным плотности тока для ширины а=20мм находим j=3,15A/мм2.

7.По уравнению (1.28) с учѐтом (1.27) находим ширину стержня a

см,

где K1 =1...2, K2 =2,5, K3 =11...22, kOК =0,35, kЗС =0,91.

Выбираем ленту шириной а=20мм. Магнитопровод ШЛ 20х20-50 с объѐмом Vc=59,9см3; его масса Ga=460 г, lc=17,1см, активное сечение Sca=3,5см2.

Sпр=0,152мм2.

13. Рассчитываем сопротивление провода по формуле при tр=1050С

,

где lоб – средняя длина витка обмотки (см).

44

14. Определяем падение напряжения на дросселе ∆Uдр=rдрI0=42,50,5=21,25В .

Пример 2.2. Расчет трансформатора малой мощности

Конструкция ТММ на магнитопроводе типа ШЛ показана на рис.2.17. Для решения примера следует использовать материал раздела 2.

Габаритная мощность трансформатора согласно (1.6) Рг = 27 3+15 2=111ВА. 1. По таблицам 1.6 и 1.7 для Рг =115 ВА и частоты 400 Гц выбираем хо-

лоднокатанную сталь марки 3422 c толщиной ленты 0,01 мм. Принимаем для трансформатора Рг =100150 ВА индукцию В = 1,5 Тл, плотность тока

j = 3,6А/мм 2 , КПД =0,91, kОК = 0,31, соs = 0,88, U1= 3 0 0 , U2=3,5 0 0 , kЗС = 0,9-табл.2.12.

Рис.2.17. Двухобмоточный ТММ на штампованном каркасе

Решение

2. По (1.13) определяем ток первичной обмотки

I 1 = 102 РГ / (U1 соs ) =11100/(220 0,88 0,91)=0,63А

3. По уравнению (1.14) находим произведение

4. Число витков обмоток трансформатора определяем согласно (1.15) и

(1.16):

W1 = U 1 (1- U1/100) 10 4 / ( 4 Кф f B S C ) = =220(1- 0,03)10 4 /(4,44 400 1,5 2,1) = 382вит.

W 2 =U 2 (1+ U2/100 ) 10 4 / (4Кф f B S C )=27(1+0,35) 10 4 /(4,44 400 1,5 2,1)=50вит

W 3 =U 3 (1+ U2/100)10 4 /(4Кф f B S C )=15 1,035 1000/ 5594,4=28вит,

где Кф = 1,11коэффициент формы для синусоиды; для прямоугольной фор-

мы- Кф= 1,0.

6. Фактические плотности тока в проводах обмоток:

J1=0,63/0,177=3,56 А/ мм 2 , J2= 3/0,88=3,41 А/ мм2 , J3=2/0,576=3,53 А/ мм 2 .

7. В зависимости от сечения провода и его сортамента (круглый или прямоугольный) обмотки могут быть размещены на гильзе из электрокартона или на штампованном каркасе с высотой катушки hк=h-2 л - -уравнение(2.1),

либо изготовленном из прессшпана, гетинакса, текстолита, стеклотекстолита, толщиной листа л=1...3мм. Кроме того, каркас должен свободно надеваться на стержень и быть меньше высоты окна магнитопровода на величину =1...3 мм.

Обычно для серийных ТММ (таблицы П.1-П.4) имеются штампованные каркасы катушек.

8. Определяется возможность размещения обмоток на каркасе. Для этого рассчивается витков обмотки в слое Wc и число слоев N обмотки по формулам

(2.2) и (2.3):

Wс = hк/( dиз Ку )= h 2 /(Ку dиз), N=W/Wc;

Число витков в слое и число слоев в обмотках W1, W2, W3

где Ку=1,05-1,15- коэффициент укладки по табл.2.20 [4].

Принимаем N1=3 , N2 =3 , N3 =1.

9. Неполный ряд обмотки может быть заполнен следующей обмоткой через межслоевую изоляцию толщиной 0,04...0,5 мм (конденсаторная бумага, лакоткани, фторопласт,полипропилен, капрон и др.) –табл. 2.19 или по П.13. Принимаем для межслоевой ( 2 ряда ) и межобмоточной изоляции (3 ряда)

шелковую лакоткань (0,04...0,16 мм) толщиной =0,1мм.

Общее число рядов изоляции с учетом межобмоточной изоляции Nоб=14+9=23. Толщина изоляции будет ИЗ = Nоб = 0,1 23=2,3 мм.

10. Толщина катушки Ск без учета толщины изоляции

Ск =Кв (d1из N1+d2из N2 +d3из N3)=1,1( 0,2 3+1,06 3+0,94 1) = 5,19 мм,

где КВ =1,05...1,15 – коэффициент выпучивания-табл.2.19 [4]. Полная ширина катушки Ск.п = Ск + ИЗ =5,19+2,3=7,49мм.

При плотной рядовой намотке допускается kок 0,4.

Реальный коэффициент заполнения окна магнитопровода проводом kок = Sпр / Sок =(0,177 382+0,88 50 +0,567 28)/(12 30)= 0,354 < 0,37.

При рядовой намотке допускается kок 0,4 – см. табл. 1.6. Следовательно, все обмотки разместятся в окне магнитопровода. Более подробно расчет ТММ, в том числе и тепловой, приведен в [3].

47

Глава 3. Особенности ФМЭ и их характеристики при повышенных и высоких частотах

При разработке ТММ с минимальными показателями особое значение приобретает уменьшение массы и габаритов. На эти показатели различные факторы влияют по-разному:

1.масса и габариты ТММ уменьшаются с повышением частоты, а дросселей (и реакторов) могут возрасти с увеличением частоты выше критической;

2.массу ТММ можно снизить, используя аморфные и нанокристаллические сплавы с высоким значением индукции насыщения;

3.масса и габариты ФМЭ возрастают с повышением окружающей температуры для изоляции одного и того же класса. Чтобы максимальная рабочая температура оставалась постоянной, то для снижения перегрева активных материалов необходимо увеличивать поверхности охлаждения;

4.масса и габариты ФМЭ уменьшаются с повышением рабочей температуры при заданной мощности и окружающей температуре;

5.масса и габариты ФМЭ возрастает при усилении защиты от внешних ус-

ловий.

Способность ФМЭ сохранять свои значения от основных параметров при воздействии температуры, влажности, атмосферного давления, механических нагрузок и др. называется стабильностью.

Например, при длительном воздействии повышенной температуры проис-

ходит старение изоляции, а сопротивление проводникового материала уменьшается. В частности, превышение расчѐтного перегрева на 8-100С снижает срок службы ФМЭ вдвое [5].

Влажность резко снижает сопротивление изоляции и еѐ электрическую прочность, что может привести к пробою изоляции.

При высоком давлении изменяется диэлектрическая проницаемость воздуха и собственная ѐмкость катушек ФМЭ, а при низком давлении может появится корона и пробой изоляции у выводов катушек.

Под влиянием механических усилий (ударов, тряски) возможны деформации и разрушение деталей ФМЭ.

Основные критерии проектирования ФМЭ для частот от 50Гц до 2000Гц рассмотрены в гл.1 и 2. Ниже будет рассмотрена специфика методики проектирования ФМЭ для повышенных и высоких частот, хотя расчѐтом отдельных параметров следует воспользоваться из глав 1 и 2.

3.1.Критерии выбора магнитного материала

При выборе магнитных материалов для изготовления ФМЭ необходимо исходить из конкретных условий, предъявляемых к ИВЭП: минимальные масса

игабариты, ограниченный объѐм источника, минимальные удельные потерии

истоимость, минимальное влияние на первичный источник питания, высокий КПД, высокая магнитная проницаемость и др.

Наиболее общие требования к магнитным материалам следующие:

48